軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法
2023-05-27 00:14:16 1
軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法
【專利摘要】本發明涉及軋輥質量檢測領域，尤其涉及一種軋輥疲勞硬化層無損檢測方法。一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，首先準備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊，在已知的、帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊上，進行聲表面波二次諧波的檢測，得到二次諧波的發生強弱與硬化層厚度的單調對應關係，採用聲表面波對被測軋輥進行檢測，將結果與對應關係對比得到對應的疲勞硬化層的厚度值。本發明採用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發生效應實現對軋輥疲勞硬化層的檢測，為實現定量評價軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測手段，檢測結果準確可靠，可以很好的配合鋼鐵生產現場軋輥的優化磨削工作，節約了生產成本，保證了生產安全。
【專利說明】軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及軋輥質量檢測領域，尤其涉及一種軋輥疲勞硬化層無損檢測方法。
【背景技術】
[0002]軋機是現代化冶金企業的關鍵工藝設備，而軋輥又是軋機的關鍵核心部件，其使用性能直接決定著軋機穩定、產線順行、生產消耗及產品質量。軋輥最經濟安全的使用對生產意義很大，軋輥工作時較大的接觸疲勞應力會造成軋輥表層產生疲勞層，其引起的接觸疲勞損壞是國內許多鋼鐵企業普遍發生的現象。為了預防軋輥開裂、剝落事故，必須開發能夠確保軋輥安全穩定運行的針對軋輥疲勞損傷的無損檢測技術，尤其是能夠在可見開裂的起始階段就能實現有效的檢測。
[0003]目前，與軋輥有關的檢測技術主要包括渦流檢測、輥身硬度檢測、超聲波探傷檢測、以及X-ray檢測，各種方法側重不同，檢測能力存在差異，而針對軋輥疲勞硬化層的檢測評價，資料檢索顯示在此【技術領域】國內外尚無有效的檢測技術信息，因此，目前鋼鐵生產尚缺乏有效的方便鋼鐵生產現場的軋輥疲勞硬化層檢測方法和設備。各種檢測軋輥的無損檢測方法有:
I)渦流檢測:目前軋輥檢測很大程度上依賴自動渦流檢測技術，因為其滲透率低，所以主要用於檢測輥面缺陷，渦流檢測可用於檢測肉眼不可見的缺陷，如剝落裂紋、熱裂紋等。渦流檢測可以用於不同材質、不同直徑的工作輥和軋輥。渦流檢測速度高、成本低，可實現自動化，探頭不用接觸輥面。但是由於疲勞硬化層分布深度最大也不過幾百微米，採用渦流方法難以滿足對如此薄層材質電磁性質的改變進行探測的要求，並且渦流檢測信號容易被外界幹擾，更會增加檢測難度。
[0004]2)硬度檢測:常規硬度檢測跟蹤可以了解軋輥的工作硬化程度。通過硬度檢測，將軋輥修磨後硬度與供貨硬度的差別控制在一定範圍內，可以有效避免加工硬化裂紋的產生。硬度檢測是一種動態力檢測，常用的肖氏硬度計是一種輕便的手提式儀器，便於現場測試，其結構簡單，便於操作，測試效率高，但與布、洛、維等靜態力試驗法相比，準確度稍差，受測試時的垂直性、試樣表面光潔度等因素的影響，數據分散性較大，其測試結果的比較只限於彈性模量相同的材料，對試樣的厚度和重量都有一定要求，不適於較薄的疲勞硬化層，而且軋輥輥身各處硬度存在差異，硬度檢測難以精確量化分析評價微觀的疲勞層。
[0005]3)x-ray檢測:早在上世紀80年代，國外鋼鐵業界就對軋輥疲勞硬化層採用X_ray方法進行了深入研究，對疲勞應變期間材料晶格結構數據的變化和疲勞極限進行了 X -ray檢測分析，但基於上述檢測手段能夠實現對疲勞損傷進行定量判定的辦法卻很少。有技術人員採用對X-ray衍射線的半高寬進行測量的方法，對疲勞破壞的機理進行了深入研究分析，試圖實現疲勞硬化層的無損檢測並能夠定量評價，當時該方法的硬體計數系統已經開發，似乎可以用於實踐。相比其它檢測手段而言，X-ray衍射方法在疲勞發展成為可見的開裂之前是一種有效的檢測手段，但是該方法的最大問題在於其檢測深度有限，只能夠對表面下約20微米的深度範圍內進行檢測，相比軋輥幾百微米的疲勞硬化層，實現徹底檢測的工作量很大。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，該方法採用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發生效應實現對軋輥疲勞硬化層的檢測，為實現定量評價軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測手段，檢測結果準
確可靠。
[0007]本發明是這樣實現的:一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，包括以下步驟:
步驟一、準備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊，系列標準試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的；
步驟二、採用聲表面波對系列標準試塊進行探測得到與系列標準試塊一一對應的一系列基頻和二次諧波信號，並對該一系列的基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到與系列標準試塊一一對應的一系列標準頻域信號，該一系列標準頻域信號即為對應厚度的疲勞硬化層的標準頻域信號；
步驟三、採用聲表面波對被測軋輥進行檢測，得到被測軋輥的基頻和二次諧波信號，將該基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到實測頻域信號；
步驟四、將實測頻域信號與標準頻域信號進行對比得到對應的疲勞硬化層的厚度值。
[0008]所述步驟二和步驟三之間還包括對被測軋輥表面進行磨光的步驟。
[0009]所述步驟四後還包括繪製軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測軋輥上的不同位置進行重複步驟三、四，得到被測軋輥周身各位置點上的疲勞硬化層分布。
[0010]該檢測方法最後還包括驗證步驟，具體為將被測軋輥逐層減薄後重複步驟三、四，得到每次減薄後的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結果與測量結果是否一致。
[0011]所述逐層減薄為使用固定型號的砂紙，按固定壓下力和固定摩擦次數砂磨軋輥試樣表面。
[0012]所述的步驟中採用聲表面波進行檢測的設備為斜劈超聲換能器。
[0013]本發明軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法中採用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發生效應實現對軋輥疲勞硬化層的檢測，通過在已知的、帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊上，進行聲表面波二次諧波的檢測，得到經過傅立葉變換後在頻域聲表面波的二次諧波的發生強弱與硬化層厚度的單調對應關係；然後在得到的單調對應關係的基礎上，再通過聲表面波與未知疲勞硬化層作用得到的二次諧波信號的強弱比對分析，即可實現對軋輥硬化層厚度的檢測；為實現定量評價軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測手段，檢測結果準確可靠，可以很好的配合鋼鐵生產現場軋輥的優化磨削工作，節約了生產成本，保證了生產安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法流程框圖；
圖2為本發明實施例中每次減薄後測量得到的基頻在頻域的波幅和二次諧波在頻域的波幅圖，橫坐標為減薄次數，縱坐標為聲壓，實心方框為基頻在頻域的聲壓，空心三角為二次諧波在頻域的聲壓。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明表述的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
[0016]實施例1
如圖1所示，一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，包括以下步驟:步驟一、準備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊，系列標準試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的；
步驟二、通過斜劈超聲換能器採用聲表面波對系列標準試塊進行探測得到與系列標準試塊一一對應的一系列基頻和二次諧波信號，並對該一系列的基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到與系列標準試塊一一對應的一系列標準頻域信號，該一系列標準頻域信號即為對應厚度的疲勞硬化層的標準頻域信號；
在本發明中採用聲表面波的基頻和二次諧波信號來對軋輥表面硬化層進行檢測是因為一般說來，軋輥表面硬化層的厚度較薄，僅在微觀結構上不同於硬化層形成之前的軋輥材質。若僅測量軋輥表面部位的橫、縱波聲速和或聲衰減，難以對是否存在硬化層進行評價。伴隨基頻聲波傳播所發生的二次諧波信號直接依賴於材料的三階彈性常數，直接依賴於材料的三階彈性常數，材料的三階彈性常數或非線性聲學參數又與材料的微觀結構密切相關，可以敏感地反映出材料微觀結構的細微變化；通過準確測量基頻聲波的二次諧波信號，可以得到三階彈性常數或非線性聲學參數的相關信息，進而可對硬化層引起的材料性質的細微改變進行評價；
步驟三、通過斜劈超聲換能器採用聲表面波對被測軋輥進行檢測，得到被測軋輥的基頻和二次諧波信號，將該基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到實測頻域信號；檢測中保持斜劈超聲換能器與被測軋輥表面相對位置固定，並保持檢測步驟中的所有檢測條件與針對帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊的聲表面波二次諧波的檢測條件相同；為了使得被測軋輥表面粗糙度與系列標準試塊表面粗糙度一直，以提高檢測結果的準確性，在對被測軋輥進行檢測前先對被測軋輥表面進行磨光操作；
步驟四、將實測頻域信號與標準頻域信號進行對比得到對應的疲勞硬化層的厚度值。
[0017]步驟五、繪製軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測軋輥上的不同位置進行重複步驟三、四，得到被測軋輥周身各位置點上的疲勞硬化層分布。
[0018]為了確認以上檢測方法的有效性，在檢測完成後對被測軋輥逐層減薄後重複步驟三、四，得到每次減薄後的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結果與測量結果是否一致。
[0019]在本實施例中，聲表面波米用斜劈超聲換能器自發自收方式，在被測軋棍上傳播距離為11.5cm ;基頻f(t)傳播所發生的二次諧波信號，載波頻率f=2.3MHz，在每次測試中，均保持斜劈超聲換能器和被測軋輥之間的接觸穩定，聲表面波回波信號二次諧波的放大增益比基波的放大增益高出50dB，所述逐層減薄為使用固定240號的氧化鋁水砂紙，按固定5千克壓下力，每次減薄用砂紙砂磨被測軋輥表面100次，總計進行了 22次減薄與測量，如圖2，表1所示為每次減薄後測量得到的基頻/(t)在頻域的波幅 ω /V和二次諧波A2(t)在頻域的波幅⑵/V，減薄次數N=O表示硬化層厚度為最初狀態，減薄次數N越多，表示硬化層厚度越來越薄，當進行第22次減薄時，N=23，採用(什麼樣的設備比如)實際測量被測軋輥的半徑共減小Ar =0.26mm，亦即每減薄被測軋輥I次，相當於硬化層厚度平均減小
11.8mm η
【權利要求】
1.一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是，包括以下步驟: 步驟一、準備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標準試塊，系列標準試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的； 步驟二、採用聲表面波對系列標準試塊進行探測得到與系列標準試塊一一對應的一系列基頻和二次諧波信號，並對該一系列的基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到與系列標準試塊一一對應的一系列標準頻域信號，該一系列標準頻域信號即為對應厚度的疲勞硬化層的標準頻域信號； 步驟三、採用聲表面波對被測軋輥進行檢測，得到被測軋輥的基頻和二次諧波信號，將該基頻和二次諧波信號進行傅立葉變換，得到實測頻域信號； 步驟四、將實測頻域信號與標準頻域信號進行對比得到對應的疲勞硬化層的厚度值。
2.如權利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是:所述步驟二和步驟三之間還包括對被測軋輥表面進行磨光的步驟。
3.如權利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是:所述步驟四後還包括繪製軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測軋輥上的不同位置進行重複步驟三、四，得到被測軋輥周身各位置點上的疲勞硬化層分布。
4.如權利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是:該檢測方法最後還包括驗證步驟，具體為將被測軋輥逐層減薄後重複步驟三、四，得到每次減薄後的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結果與測量結果是否一致。
5.如權利要求4所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是:所述逐層減薄為使用固定型號的砂紙，按固定壓下力和固定摩擦次數砂磨軋輥試樣表面。
6.如權利要求f5中任意一權利要求所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測方法，其特徵是:所述的步驟中採用聲表面波進行檢測的設備為斜劈超聲換能器。
【文檔編號】G01N29/04GK103926312SQ201310013983
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月15日 優先權日:2013年1月15日
【發明者】孫大樂, 鄧明晰, 張國星 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 中國人民解放軍後勤工程學院